Proces produkcji PTFE

Tetrafluoroetylen wytworzono po raz pierwszy w 1933 r. Obecna synteza handlowa opiera się na fluorycie, kwasie siarkowym i chloroformie.

Podstawowy proces produkcji polimeru PTFE:

Produkcja polimeru/żywicy PTFE odbywa się zasadniczo w dwóch etapach.Po pierwsze, monomer TFE jest na ogół wytwarzany w drodze syntezy fluorku wapnia (fluorosparu), kwasu siarkowego i chloroformu, a późniejsza polimeryzacja TFE odbywa się w dokładnie kontrolowanych warunkach w celu wytworzenia PTFE.Ze względu na obecność stabilnych i mocnych wiązań CF, cząsteczka PTFE posiada wyjątkową obojętność chemiczną, wysoką odporność na ciepło i niezwykłe właściwości izolacji elektrycznej;oprócz doskonałych właściwości ciernych.

Oczyszczanie TFE:

Do polimeryzacji wymagany jest czysty monomer.Jeśli obecne są zanieczyszczenia, będzie to miało wpływ na produkt końcowy.Gaz jest najpierw oczyszczany w celu usunięcia kwasu solnego, a następnie destylowany w celu oddzielenia innych zanieczyszczeń.

Polimeryzacja TFE:

Czysty, nieinhibitowany tetrafluoroetylen może gwałtownie polimeryzować, nawet w temperaturach początkowo niższych od temperatury pokojowej.Posrebrzany reaktor, wypełniony w połowie roztworem składającym się z 0,2 części nadsiarczanu amonu, 1,5 części boraksu i 100 części wody, o pH 9,2.Reaktor został zamknięty;odgazowano i wprowadzono 30 części monomeru. Reaktor mieszano przez jedną godzinę w temperaturze 80°C i po ochłodzeniu uzyskano polimer z wydajnością 86%. PTFE jest wytwarzany na skalę przemysłową w dwóch głównych procesach, z których jeden prowadzi do tak zwanego „granulatu”. polimeru, a drugi prowadzi do dyspersji polimeru o znacznie mniejszych cząstkach i niższej masie cząsteczkowej.Jedna z metod wytwarzania tego ostatniego polegała na zastosowaniu 0,1% wodnego roztworu nadtlenku kwasu dibursztynowego.Reakcje prowadzono w temperaturze do 90°C.

Inne metody:

Rozkład TFE pod wpływem łuku elektrycznego. Polimeryzacja prowadzona metodą emulsyjną z wykorzystaniem inicjatorów nadtlenkowych np. H2O2 (nadtlenek wodoru) i siarczanu żelazawego.W niektórych przypadkach jako inicjator stosuje się tlen.

Struktura i właściwości PTFE:

Struktura chemiczna PTFE to liniowy polimer C–F2–C–F2 bez żadnej gałęzi, a wyjątkowe właściwości PTFE są powiązane z silnym i stabilnym wiązaniem węgiel – fluor.

Politetrafluoroetylen jest polimerem liniowym wolnym od jakiejkolwiek znaczącej ilości rozgałęzień.Podczas gdy cząsteczka polietylenu ma postać płaskiego zygzaka w strefie krystalicznej, jest to sterycznie niemożliwe w przypadku PTFE, ponieważ atomy fluoru są większe niż atomy wodoru.W rezultacie cząsteczka tworzy skręcony zygzak, w którym atomy fluoru są ściśle upakowane w spiralę wokół szkieletu węgiel-węgiel.Całkowity obrót spirali będzie obejmował ponad 26 atomów węgla poniżej 19°C i 30°C powyżej, przy czym w tej temperaturze następuje punkt przejścia obejmujący 1% zmianę objętości.Zwarte splatanie się atomów fluoru prowadzi do cząsteczki o dużej sztywności i to właśnie ta cecha prowadzi do wysokiej krystalicznej temperatury topnienia i stabilności kształtu termicznego polimeru.

Przyciąganie międzycząsteczkowe pomiędzy cząsteczkami PTFE jest bardzo małe, obliczony parametr rozpuszczalności wynosi 12,6 (MJ/m3)1/2. Polimer w masie nie ma zatem wysokiej sztywności i wytrzymałości na rozciąganie, która jest często kojarzona z polimerami o wysokiej temperaturze mięknienia.Wiązanie węgiel-fluor jest bardzo stabilne.Ponadto, gdy dwa atomy fluoru są przyłączone do pojedynczego atomu węgla, następuje zmniejszenie odległości wiązania C – F z 1,42 A do 1,35 A. W rezultacie siła wiązania może sięgać nawet 504 kJ/mol.Ponieważ jedynym innym obecnym wiązaniem jest stabilne wiązanie C–C, PTFE ma bardzo wysoką stabilność cieplną, nawet po podgrzaniu powyżej temperatury topnienia kryształów wynoszącej 327°C.Ze względu na wysoką krystaliczność i niezdolność do specyficznego oddziaływania, w temperaturze pokojowej nie ma rozpuszczalników.W temperaturach bliskich temperatury topnienia niektóre fluorowane ciecze, takie jak perfluorowana nafta, rozpuszczą polimer.

Właściwości PTFE zależą od rodzaju polimeru i sposobu jego przetwarzania.Polimer może różnić się wielkością cząstek i/lub masą cząsteczkową.Rozmiar cząstek będzie miał wpływ na sposób przetwarzania i ilość pustek w gotowym produkcie, podczas gdy masa cząsteczkowa będzie miała wpływ na krystaliczność, a tym samym na wiele właściwości fizycznych.Techniki przetwarzania będą miały również wpływ zarówno na krystaliczność, jak i zawartość pustych przestrzeni.

Wagowo średnie masy cząsteczkowe polimerów dostępnych w handlu wydają się być bardzo wysokie i mieszczą się w zakresie od 400 000 do 9000 000. ICI podają, że ich materiały mają masę cząsteczkową w zakresie od 500 000 do 5000 000 i procent krystaliczności w stanie fabrycznym przekraczającym 94%.Gotowe części są mniej krystaliczne.Stopień krystaliczności gotowego produktu będzie zależał od szybkości chłodzenia od temperatur przetwarzania.Powolne chłodzenie doprowadzi do wysokiej krystaliczności, a szybkie chłodzenie da odwrotny efekt.Materiały o niskiej masie cząsteczkowej będą również bardziej krystaliczne.

Zaobserwowano, że polimer dyspersyjny, który ma mniejsze cząstki i niższą masę cząsteczkową, daje produkty o znacznie zwiększonej odporności na zginanie, a także wyraźnie wyższej wytrzymałości na rozciąganie.Wydaje się, że ulepszenia te wynikają z tworzenia się struktur włóknistych w masie polimeru podczas przetwarzania.